Использование шлаков и зол в производстве вяжущих веществ реферат
Обновлено: 28.06.2024
Основная масса отходов при получении металлов и сжигании твердого топлива образуется в виде шлаков и зол. Кроме шлаков и зол при производстве металла в больших количествах образуются отходы в виде водных суспензий дисперсных частиц-шламы.
Ценным и весьма распространенным минеральным сырьем для производства строительных материалов являются горелые породы и отходы углеобогащения, а также вскрышные породы и отходы обогащения руд.
Производство вяжущих материалов относится к наиболее эффективным областям применения шлаков. Шлаковые вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: шлакопортландцементы, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлако-щелочные вяжущие.
Шлаки и золы можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе окись кальция (CaO) связана в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката - одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении шлаков и зол обеспечивает повышение производительности печей и экономии топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом производстве клинкера удельный расход сырья и топлива на 10…15%, а также повысить производительность печей на 15%.
Применением маложелезистых шлаков – доменных и феррохромовых – и созданием восстановительных условий плавки получают в электропечах белые цементы. На основе феррохромовых шлаков окислением металлического хрома в расплаве можно получить клинкеры, при использовании которых цементы с ровной и стойкой окраской.
Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных гранулированных шлаков и сульфатного возбудителя твердения – гипса или ангидрида с небольшой добавкой щелочного активизатора: извести, портландцемента или обожженного доломита. Наиболее широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75…85% шлака, 10…15% двуводного гипса или ангидрида, до2% окиси кальция или 5% портландцементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700º С, и высокоглиноземистых основных шлаков. Активность сульфатно-шлакового цемента существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность (4000…5000 см²/г) вяжущего достигается с помощью мокрого помола. При достаточно высокой тонкости измельчения в рациональном составе прочность сульфатно–шлакового цемента не уступает прочности портландцемента. Как и другие шлаковые вяжущие, сульфатно-шлаковый цемент имеет не большую теплоту гидратации – к 7 сут., что позволяет применять его при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также его высокая стойкость к воздействию мягких сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлакового цемента выше, чем шлакопортландцемента, что делает его применение особенно целесообразным в различных агрессивных условиях.
Известково-шлаковые и известково-зольные цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака или золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих, вяжущих при изготовлении их вводится до 5% гипсового камня. Содержание извести составляет 10%. 30%.
Известково-шлаковые и зольные цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец – не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10º С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь при после достаточного продолжительного твердения (15…30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.
Шлакощелочные вяжущие состоят из тонкоизмельченного гранулированного шлака (удельная поверхность≥3000 см²/г) и щелочного компонента – соединений щелочных металлов натрия или калия.
Для получения шлакощелочного вяжущего приемлемы гранулированные шлаки с различным минералогическим составом. Решающим условием их активности является содержание стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами.
Свойства шлакощелочного вяжущего зависят от вида, минералогического состава шлака, тонкости его помола, вида и концентрации его раствора щелочного компонента. При удельной поверхности шлака 3000…3500 см²/г количество воды для образования теста нормальной густоты составляет 20…30% массы вяжущего. Прочность шлакощелочного вяжущего при испытании образцов из теста нормальной густоты составляет 30…150 МПа. Для них характерен интенсивный рост прочности как в течении первого месяца, так и в последующие сроки твердения. Так, если прочность портландцемента через 3 мес. твердения в оптимальных условиях превышает марочную примерно в 1,2 раза, то шлакощелочного вяжущего в 1,5 раза. При тепловлажностной обработке процесс твердения ускоряется также интенсивнее, чем при твердении портландцемента. При обычных режимах пропаривания, принятых в технологии сборного железобетона, в течение 28 сут. достигается 90…120% марочной прочности.
Щелочные компоненты, входящие в состав вяжущего, выполняют роль противоморозной добавки, поэтому шлакощелочные вяжущие достаточно интенсивно твердеют при отрицательных температурах.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Глава I. Виды отходов ТЭС и их применение в производстве
1.1 Строительные материалы с использованием зол ТЭС. 3
1.2 Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций. 11
1.3 Смесь золошлаковая тепловых электростанций. 13
1.4 Бетоны и строительные растворы с использованием зол ТЭС. 15
1.5 Опыт использования зол и шлаков ТЭС на российских и украинских
Глава II. Технология производства портландцемента с добавкой зол
Глава III. Расчёт экономической эффективности введения золы ТЭС
в клинкер при производстве портландцемента.
3.1 Сущность и содержание мероприятия. 25
3.2 Расчёт изменения объёма производства продукции. 26
3.3 Расчёт потребностей в инвестициях на осуществление мероприятия. 26
3.4 Расчёт изменения себестоимости продукции. 27
3.5 Оценка экономической эффективности мероприятия. 29
В последние годы для Севастополя и всей Украины очевиден явный подъём в капитальном строительстве. Массовая реконструкция городской инфраструктуры и новое капитальное строительство свидетельствуют о необходимости производства качественных строительных материалов.
В настоящее время в результате научно-технического прогресса строительная отрасль претерпевает огромные технологические изменения. Сегодня стало возможным использование многих отходов промышленности, на базе которых в настоящее время изготавливают разнообразные строительные материалы.
В данной работе рассмотрена эффективность использования отходов тепловой энергетики при производстве строительных материалов. В течение всей второй половины XX-ого века на территории всего СССР более ? электроэнергии вырабатывалось на тепловых электростанциях , работающих преимущественно на твёрдом топливе. Объёмы потребления угля росли и росли, а, значит, увеличивались и объёмы золошлаковых отходов тепловых электростанций. В 80-х годах в отвалы ТЭС и ГРЭС СССР выбрасывалось не менее 65 млн. т. в год.
Одновременно с ростом средней мощности электростанций и увеличением объёма использования многозольных углей и сланцев резко возросли ёмкости золоотвалов, занимавших площади до 400-800 га на каждую станцию, что приводило во многих случаях к потере ценных сельскохозяйственных угодий. И конечно, никакими цифрами нельзя оценить вред от того, что зола, попадая в водоёмы и источники, загрязняет их и воздушные бассейны городов и посёлков.
Несмотря на переход современных ТЭС на безотходное газовое производство, проблема отходов тепловой энергетики до сих пор стоит очень остро. Это типично для всех стран бывшего СССР. Внимание инженерно-технических работников многих стран мира уже давно привлечено к тому, что золошлаковые отходы характеризуются разнообразием химического состава и ценными технологическими свойствами. Тонкодисперсные золы (угольные, сланцевые, торфяные), получаемые в результате сжигания твёрдого и пылевидного топлива в энергетических установках, различны по химическому составу в зависимости от вида сжигаемого топлива, режима горения, устройства топок, но все они близки к составу гидравлических добавок. Как показали исследования профессора А.В. Волженского и других советских учёных, эти золы с успехом могут быть использованы для автоклавного производства плотных и ячеистых камней, блоков, панелей и других изделий.
Целью данной курсовой работы является изучение комплексного использования отходов тепловых электростанций в производстве современных строительных материалов.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
изучение состава и свойств отходов теплоэлектростанций;
рассмотрение области применения зол ТЭС в производстве строительных материалов;
изучение свойств и характеристик строительных материалов, изготовленных на основе отходов ТЭС;
ознакомление с опытом использования зол и шлаков ТЭС российскими и украинскими предприятиями отрасли;
изучение технологии производства портландцемента с добавкой зол тепловых электростанций;
расчёт экономической эффективности введения золы ТЭС в клинкер при производстве портландцемента.
При составлении данной работы были изучены труды украинских и российских авторов, рассмотрена как научная, так и периодическая литература в этой области.
Глава I. Виды отходов ТЭС и их применение в производстве строительных материалов.
Строительные материалы с использованием зол ТЭС.
Во время сжигания порошкообразного угля на современных электростанциях в высокотемпературных топках летучие вещества и уголь сгорают, в то время как большинство таких минеральных включений в угле, как глины, кварц и шпат, расплавляются. Расплавленное вещество быстро транспортируется в низкотемпературные зоны, где оно затвердевает в виде сферических частиц. Часть минерального вещества агломерируется с образованием шлака, но большинство его улетает с потоком отходящих газов и называется золой-уносом. Эта зола затем удаляется из газа циклонами и электрофильтрами. Таким образом, зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, образующийся на тепловых электростанциях в результате сжигания углей в топках котлоагрегатов, осаждаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов и предназначенный для приготовления сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, кроме конструкций, эксплуатируемых в средах со средней и сильной агрессивностью.
В зависимости от дискретности, характеризуемой удельной поверхностью, зола-унос подразделяется на 3 класса, представленные в таблице 1.
Удельная поверхность, см 2 /г
(А и Б) – для железо- бетонных конструкций
(А и Б) – для бетонных конструкций и изделий
А – для тяжёлого бетона
Б – для лёгкого бетона
Остаток на сите № 008 для золы класса А не должен превышать 15% по массе. Насыпная плотность зол в сухом состоянии не должна превышать 1000 кг/м 3 . При соответствующем обосновании допускается применение золы с насыпной плотностью, превышающей указанную на 10%.
В таблице 2 приведено содержание аналитически определяемых оксидов (в %) в золе-уносе, пригодной для использования в качестве минеральных добавок в бетон.
Зола от сжигания
антрацита или битуми-
Зола от сжигания бурых
Допускается содержание в золе свободного оксида кальция или оксида магния в количествах, превышающих указанные в таблице, если обеспечивается равномерность изменения объёма образцов при испытании их в автоклаве.
Насыпная плотность зол в сухом состоянии не должна превышать 1000 кг/м 3 . При соответствующем обосновании допускается применение золы с насыпной плотностью, превышающей указанную на 10%.
Зерновой состав зол удовлетворяет следующим требованиям: для конструкционно-теплоизоляционного бетона содержание зёрен крупнее 5мм не должно превышать 5%, а зёрен размером 0,14мм – не более 90% по объёму; для конструкционного бетона соответственно 10 и 70%.
Содержание в каменноугольных золах остатков несгоревшего топлива, определяемое по потерям в массе при прокаливании, допускается в количестве не более 25%, а в буроугольных золах – не более 5%.Наличие водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в пересчёте на SO3 в золах, применяемых для армированных керамзитобетонов, не превышает 1% по массе. Количество мелкого заполнителя – золы – определяется при подборе состава бетона.
Золы ТЭС делятся на основные, содержащие до 40% MgO+CaO, в том числе 5-20% свободного CaO, и кислые, содержащие более 45% SiO2.
Вяжущие, включающие в свой состав золы ТЭЦ.
Золы ТЭС являются неорганическими искусственными материалами, обладающими гидравлическими свойствами, и поэтому относятся к числу активных минеральных добавок. При смешивании в тонкоизмельчённом виде с гидратной известью золы при затворении водой образуют тесто, способное после предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Искусственные минеральные добавки широко применяют в качестве частичной замены глинистого компонента в составе сырьевой смеси, а также для производства шлакопортландцемента и портландцемента с минеральными добавками. При использовании золы в качестве замены глинистого компонента в сырьевой смеси позволяет увеличить производительность цементных печей и сократить расход топлива на 15-18%, так как снижается влажность сырьевой смеси и не приходится затрачивать теплоту на декарбонизацию известняка, содержащегося в золах и шлаках.
В таблице 3 представлены некоторые виды цементов и массовая доля в них компонентов, содержащие золы теплоэлектростанций.
В процентах (по массе)
с добавк с добавкой зол золы-уноса
Пуццолано- вый цемент
Компози- ционный цемент
Рассмотрим подробнее некоторые виды вяжущих, производимых с помощью зол ТЭС.
Известково-зольным цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое либо совместным помолом сухой топливной золы или шлака с известью (негашеной, гашеной или гидравлической), либо тщательным смешиванием в сухом виде тех же раздельно измельчённых материалов. Известково-зольный цемент выгоден тем, что не требует специального обжига и нуждается лишь в помоле. Удельный вес известково-зольного цемента колеблется в пределах 2400-2800 см 2 /г. Цвет этого цемента из-за наличия остатков несгоревшего угля тёмно-серый. Известково-зольный цемент применяют в тех же случаях, что и другие цементы, получаемые на основе извести и гидравлических добавок.
Более эффективное вяжущее, полученное на основе топливных зол и шлаков, содержащих не менее 15% CaO, например, сланцевая зола. Такая зола, измельчённая в порошок, обладает способностью самостоятельно затвердевать.
Вяжущие свойства могут приобрести и золы других видов топлив, если их смешивают с известняком, причём оба материала должны быть тонко измельчены. Сжигая уголь с добавкой известняка, можно таким образом получать на теплоэлектроцентралях вяжущее вещество, называемое ТЭЦ-цементом. Способ изготовления последнего был разработан Э.З. Юдовичем и П.Д. Кевешем. В состав этого вяжущего входят частицы золы, свободная CaO, силикаты, алюминаты и ферриты кальция, образовавшиеся при сжигании пылевидной смеси угля и известняка в результате взаимодействия между известью и составными частями золы. Этот цемент отличается неравномерностью изменения объёма при обычных условиях твердения из-за значительного содержания свободной окиси кальция.
Вяжущий материал, аналогичный известково-зольному цементу, можно получить, используя очажные остатки кирпичеобжигательных кольцевых печей, представляющие собой золу, полученную от сжигания топлива, с некоторым количеством боя кирпича. После измельчения очажных остатков совместно с известью получается известково-очажный цемент с более высокой прочностью, чем обычный известково-зольный цемент, особенно при тонком помоле.
Можно отметить, что при содержании золы в цементе в количестве 10-15% в соответствующем помоле может быть получен цемент марки 500. Зола является отличным пластификатором и может быть использована при производстве, не только цемента, но и при производстве бетонов, строительных растворов, заполнителей для бетонов, в производстве керамических и силикатных кирпичей и т.д.
Керамические стеновые материалы.
В производстве керамического кирпича золу с удельной поверхностью 2000-3000 см 2 /г используют в качестве основного сырья и в качестве отощающей и выгорающей добавки. В связи с повышенной влажностью и наличием шлака золу перед подачей в производство необходимо подсушивать и измельчать шлаковые включения. Удельная теплота сгорания золы в зависимости от содержания несгоревших части топлива 4200-12500 КДж (1000-3000 ккал/кг). В глиняную массу вводят 15-45% золы ТЭС. Предпочтение следует отдавать золам с низким содержанием СaO+MgO и температурой размягчения до 1200*С. Золы бурых углей вследствие низкого содержания несгоревших частиц, а также высококальциевые золы не оказывают положительного влияния на свойства керамической массы и готовых изделий.
Силикатный кирпич.
В таблице 4 представлены данные о технических требованиях к золам ТЭС различного целевого назначения.
Золы и топливные шлаки применяются в качестве сырьевых компонентов портландцементного клинкера и активных минеральных добавок при производстве портландцемента, а также композиционных зольных и шлаковых цементов. В составе сырьевой смеси при производстве клинкера золой и шлаками заменяют глинистый и частично известняковый компоненты, в некоторых случаях эта замена улучшает химико-минералогический состав клинкера и условия его обжига.
Более высокие технико-экономические показатели производства клинкера достигаются при использовании сухих зол пневмоудаления. Ценным для цементной промышленности является присутствие в составе зол остатков несгоревшего топлива, содержание которого в среднем составляет около 10%. Это значит, что при использовании 1 млн т золы в качестве сырьевого компонента цементная промышленность получит дополнительно 100 тыс. т топлива. Так как зола имеет меньшую водопотребность, чем глины, применение ее в составе сырьевой смеси позволяет снизить влажность шлама до 33—34%, уменьшить расход топлива на 7—10% и повысить производительность вращающихся печей.
Золы и топливные шлаки в качестве компонентов сырьевой смеси портландцементного клинкера применяют как при мокром, так и сухом способе производства. Сырьевая смесь хорошо гранулируется, и гранулы имеют повышенную прочность.
Золошлаковые компоненты, содержащие значительные количества свободного оксида кальция, могут вызывать загустевание и схватывание сырьевого шлама, поэтому их применяют только при сухом способе производства.
Шлакозольные вяжущие, твердеющие при нормальных температурах можно использовать в растворах для кладки и штукатурки, а также в низкомарочных бетонах. Этот вид вяжущих не рекомендуется применять при пониженной температуре окружающей среды, в конструкциях, подвергающихся высыханию и увлажнению, многократному замерзанию и оттаиванию.
Золошлаковое сырье может применяться для изготовления заполнителей как тяжелых, так и легких бетонов. Пористыми заполнителями для легких бетонов служат: шлаки от сжигания антрацита, каменного и бурого углей, торфа и сланцев; золы, щебень и песок из топливных шлаков, аглопорит на основе золы ТЭС, зольный обжиговый и безобжиговый гравий, глинозольный керамзит.
Применение в бетонах золы-уноса позволяет заменять как часть песка, так и часть цемента.
Полная замена мелкого заполнителя золой наиболее целесообразна в конструктивно-теплоизоляционных легких бетонах. Оптимальное содержание золы в конструктивно-теплоизоляционном керамзитобе-тоне составляет 300—450 кг/м3.
К основным направлениям переработки металлургических и топливных шлаков, а также зол наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение шлаковой ваты, литых материалов и шлакоситталов, зольной керамики и силикатного кирпича. Шлаковая вата – разновидность минеральной ваты, занимающей ведущее место среди теплоизоляционных материалов, как по объему выпуска, так и по строительно-техическим свойствам. В производстве минеральной ваты доменные шлаки нашли наибольшее применение. Для получения минеральной ваты наряду с доменными применяются также ваграночные, мартеновские шлаки и шлаки цветной металлургии. Шлакоситаллы – разновидность стеклокристаллических материалов, получаемых направленной кристаллизацией стекол. В отличие от других ситаллов сырьевыми материалами для них служат шлаки черной и цветной металлургии, а также золы сжигания каменного угля. Они широко применяются в строительстве как конструкционные и отделочные материалы, обладающие высокой прочностью. Производство шлакоситаллов заключается в варке шлаковых стекол, формировании из них изделий и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Наиболее эффективно использование огненно-жидких металлургических шлаков, что экономит до 30…40% всего тепла, затрачиваемого на варку. Шлакоситаллы все шире применяются в строительстве. Плитами листового шлакосситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов и кровли. Шлакостиалл – эффективный материал для ступеней, подоконников и других конструктивных элементов зданий. Высокая износостойкость и химическая стойкость позволяют успешно применять Шлакоситаллы для защиты строительных конструкций и аппаратуры в химической, горнорудной и других отраслях промышленности.
Золы и шлаки ТЭЦ при правильном и эффективном их использовании представляют собой огромное богатство и источник расширения сырьевых ресурсов различных отраслей промышленности, в первую очередь промышленности строительных материалов. В нашей стране выполнены большие научно-исследовательские работы и накоплен значительный опыт по использованию золошлаковых отходов электростанций.
Большой практический интерес представляет исследование возможностей массового использования золошлаковых смесей в качестве заполнителей в бетоны различного назначения. Это обусловлено как зерновым и химическим составом, так и физико-механическими характеристиками отходов ТЭЦ. Зерновой состав смеси соответствует рекомендуемым составам песков для бетонов, модуль крупности составляет 3,42, что позволяет отнести его по существующей классификации к крупным пескам. По химическому составу материал на 80 % состоит из кремнезема, глинозема и гематита. Результаты испытаний на прочность золошлаковых бетонов естественного твердения, подвергнутых тепловлажностной обработке, показывают, что расход цемента для получения требуемой прочности не превышает нормы.
Для изучения изменения прочности золошлакобетона во времени были проведены исследования бетонов на основе золошлаковых смесей с золоотвалов Беловской ГРЭС, Кемеровской ГРЭС, Новокемеровской ТЭЦ. Бетонная смесь готовилась в трех видах смесителей: турбулентном, гравитационном, принудительного перемешивания. Образцы-кубики 100x100x100 мм подвергались термообработке по режиму 3,5 + 8 + 2 ч. при температуре 90° С, а часть образцов твердело в нормальных условиях. Изменение прочности бетона во времени определяли по результатам испытания образцов в возрасте 1,7, 14, 28, 180 и 1340 сут. Анализ полученных данных показал, что прочность золошлакобетона в возрасте 180 сут. составляет 116 . 128 % от марочной, а через 1340 сут. — 51 . 68 % в зависимости от состава, условий приготовления и твердения. Таким образом, вопросы повышения долговечности материалов из отходов являются весьма актуальными.
В 1988—1989 гг. Кузбасским политехническим институтом проводились исследования, подтверждающие возможность применения смеси топливных и доменных шлаков для изготовления тяжелых цементных бетонов классов от В7,5 до В35. Эти бетоны обладают физико-механическими и деформативными характеристиками, не уступающими, а иногда и превышающими соответствующие показатели бетонов на природных материалах. Морозостойкость бетона на шлаковом заполнителе составляет F 100 . F 400, водонепроницаемость W4. W12, предел прочности при сжатии после пропаривания 16. 50 МПа. Шлаковый бетон коррозиестоек в условиях сульфатной агрессии и действия жидкой среды жизнедеятельности животных. Технология изготовления бетона на заполнителе из смеси доменного и топливного шлаков легко вписывается в технологические схемы действующих предприятий строительной индустрии.
Растущий дефицит в строительстве вяжущих веществ, в частности портландцемента, заставил ученых и практиков искать пути снижения его расхода в растворах и бетонах без ухудшения их свойств. Эффективные смешанные вяжущие с использованием местных материальных ресурсов были разработаны в Казанском инженерно-строительном институте. Вяжущие получали путем повторного помола рядовых портландцементов с грубодисперсными минеральными порошками природного и искусственного происхождения, такими, как речной песок, доломитовая и известняковая мука, формовочная смесь, зола ТЭЦ. Механо-химическая активация поверхности цемента и минеральной добавки позволяет повысить прочность портландцемента на 20. 24 %. Эффект увеличения прочности может быть усилен введением суперпластификаторов. Цементно-песчаные растворы и мелкозернистые бетоны, полученные на смешанных вяжущих, дали хорошие результаты.
Зола электрофильтров и золошлаковые смеси из отвалов — эффективный компонент сырьевой смеси при производстве портландцементного клинкера для замены глинистого и карбонатного компонентов или как корректирующая добавка.
Известен метод Л. Триефе для получения вяжущего из расплава известняка и золы, резко охлаждаемого водой, который затем подвергается помолу и сушке. Этот метод позволяет уменьшить количество известняка до одной трети, отказаться от глины и известняка при получении цемента.
Одним из главных утилизаторов топливных зол и шлаков являются строители дорог. Наблюдения за опытными участками дорог, построенными в разное время в нашей стране и за рубежом, подтверждают возможность использования золы во всех слоях оснований дорожных одежд для любой транспортной нагрузки. Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность, морозостойкость, долговечность. Стабилизированные с помощью цемента и золы, материалы продолжают увеличивать свою прочность с течением времени, а наиболее интенсивное нарастание прочности наблюдается в возрасте 90—120 суток.
На протяжении последних 10 лет изготовлено свыше 100 тыс. м 3 дорожных плит, дорожного и газонного бордюра, тротуарной плитки, колец и других изделий на золе сухого удаления и гранулированного шлака, полученных от сжигания каменных углей Львовско-Волынского бассейна. Золошлаковые смеси применялись в качестве активных минеральных добавок, микронаполнителей, заполнителей. Изделия для дорожного строительства изготавливались из бетонов классов В15 . В35. При этом расход золы на 1 м 3 бетона составил 50. 100 кг, шлака — 200 . 400 кг. Наилучшие результаты получены при замене 40 % мелкозернистого песка гранулированным шпаком.
Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, говорят о том, что введение в состав бетонов золошлаков кислого состава повышает их стойкость в агрессивных средах.
Большой экономический эффект дает применение топливных золошлаков в качестве вяжущего для стабилизации грунтов.
Необходимо отметить более высокую жесткость бетонных смесей на золошлаке по сравнению с бетонными смесями на традиционных заполнителях, что объясняется высокой адсорбцией золошлаковых смесей, способствующей снижению водоцементного отношения, а следовательно, и удобоукладываемости. Прочность золошлаковых бетонов выше, чем у бетонов на традиционных заполнителях. Это связано со многими причинами: во-первых, снижение водоцементного отношения ведет к повышению плотности, а следовательно, и прочности бетона; во-вторых, сказывается эффект "мелкозернистых порошков"; в-третьих, высокая прочность в поздние сроки твердения объясняется эффектом пуццоланизации, характерным для топливных отходов. По результатам исследований построено несколько участков дорог, устроено основание из укатываемого бетона на золошлаковых смесях.
Таким образом, диапазон применения золошлаковых смесей гидроудаления и зол-уноса ТЭЦ весьма обширен. Результаты научных исследований, опытные работы позволяют сделать вывод о замене некоторых традиционных материалов на отходы промышленности. При этом свойства материалов с использованием зопошлаков не только не уступают традиционным, но в некоторых случаях и превосходят их. Надо сказать, что несмотря на большой объем научных разработок в области использования отходов, в нашей стране отходы используются еще очень cлa6o.
2. ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН
Ячеистые бетоны на 60. 85% по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2. 2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнезимистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика — 300. 1200 кг/м 3 ; он имеет низкую теплопроводность при достаточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовления.
Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. При применении известково-кремнезёмистых вяжущих получаемые бетоны называют газо- и пеносиликаты.
Кремнеземистый компонент — молотый кварцевый лесок, гранулированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целесообразно.
Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.
Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропаривания (t= 85. 90°С) и автоклавной обработки (t= 175° С). Лучшее качество, имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.
По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.
Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород
Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой выделит до 1,25 м 3 водорода, т. е. для получения 1 м 3 газобетона требуется 0,5. 0,7 кг пудры.
Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжущего с заранее приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и синтезируемыеспециально (сульфанол и т. п.).
Свойства ячеистых бетоновопределяются их пористостью, видом вяжущего и условиями твердения.
Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов — 60. 85%. Характер пор — замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который, как известно, пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.
Гидрофильность цементного камня и большая пористость обусловливают высокую сорбционную влажность. Это сказывается на теплоизоляционных показателях ячеистого бетона. Поэтому при использовании ячеистого бетона в ограждающих конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой или гидрофобизировать.
Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в пределах 1,5. 15 МПа. Модуль упругости ячеистых бетонов ниже, чем у обычных бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона повышенная ползучесть.
Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, они огнестойки и легко поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).
Наиболее рациональная область применения ячеистых бетонов — ограждающие конструкции (стены) жилых и промышленных зданий: несущие — для малоэтажных зданий и ненесущие — для многоэтажных, имеющих несущий каркас.
3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Номенклатура теплоизоляционных материалов очень широка. Но около 90% от общего объема применения в строительстве составляют два вида изделий: из искусственных минеральных волокон (около 70%) и ячеистых пластмасс – пенопластов (около 20%). Это объясняется простотой технологии их производства (это касается пенопластов), огромной сырьевой базой (это касается минеральных волокон) и высокими эксплуатационными свойствами.
Неорганические материалы изготавливаются на основе минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, вяжущих веществ, асбеста и т.п.). К этим материалам относятся изделия из минеральной ваты, пеностекло, ячеистые бетоны, асбестосодержащие засыпки и мастичные составы, а также пористые заполнители, используемые как теплоизоляционные засыпки (керамзит, перлит, вермикулит и др.). Неорганические теплоизоляционные материалы теплостойки, негорючи, не подвержены зашиванию. Как уже говорилось, наибольшее применение находят изделия на основе минеральной ваты.
Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью связующего или другими способами.
Минеральную вату вырабатывают из силикатных расплавов, сырьем для которых служат металлургические шлаки, осадочные (мергели, каолины и др.) и изверженные (базальт и др.) горные породы, отходы стекла и другие силикатные материалы. Название минеральная вата получает по виду сырья: например, шлаковая, базальтовая или стекловата. Вид сырья определяет, в частности, температуростойкость ваты (у базальтовой ваты — до 1000° С, а у стекловаты 550. 650° С), тонкость и упругость волокна и другие свойства.
Силикатный расплав раздувом или разбрызгиванием центрифугой превращают в тончайшие стекловидные волокна диаметром 1. 10 мкм и длиной в несколько сантиметров. Волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. Сюда же подается связующее вещество для получения из рыхлого минерального волокна ковра и дальнейшего формования изделий (в исходном виде минеральная вата в настоящее время не применяется).
Минераловатные изделия применяют для тепловой изоляции в широком диапазоне температур: — 200. + 600° С; изделия на основе специальных минеральных волокон (например, базальтовых) выдерживают до 1000° С. Они слабо адсорбируют влагу, не поражаются грызунами.
Производят следующие виды минераловатных изделий: мягкие плиты (минеральный войлок) и прошивные маты, полутвердые и твердые плиты и скорлупы (рис. 1).
Рис.1. Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты:
а — минеральный войлок; б — полужесткие плиты; в — полуцилиндры; г — прошивной мат
Мягкие маты и плиты (минеральный войлок) получают как с помощью прошивки минерале ватного ковра, сдублированного с фольгой или металлической сеткой, так и с помощью минерального связующего путем его легкой подпрессовки. Такие маты выпускают в виде рулонов. Плотность 30. 100 кг/м 3 ; теплопроводность 0,033. 0,035 Вт/(м∙К).
Полужесткие и жесткие плиты и фасонные изделия получают с использованием полимерных связующих (размер плит обычно 600´1200 мм при толщине от 50 до 120 мм). Для получения большой жесткости плиты без увеличения ее плотности применяют технологию с частичной вертикальной ориентацией волокон. Плотность плит 50. 150 кг/м 3 ; теплопроводность 0,04. 0,06 Вт/(м∙К). Подобные плиты используют для устройства теплоизоляции стен и кровельных покрытий. Плиты легко режутся и укрепляются на стенах клеющими мастиками. Скорлупы и сегменты используют для изоляции трубопроводов.
Пеностекло (ячеистое стекло) — материал, получаемый термической обработкой порошкообразного стекла (обычно для этого используется стеклобой), смешанного с порошком газообразователя (мел, известняк, кокс). В момент перехода стекла в пластично-вязкое состояние газообразователь выделяет газ (в данном случае СО2 ), который вспучивает стекломассу.
Пеностекло имеет как бы двойную пористость: стенки крупных пор (диаметром 0,5. 2 мм) содержат микропоры (рис. 2.). При этом все поры замкнутые. Такое строение пеностекла объясняет его низкую теплопроводность при достаточно высокой прочности и практически нулевое водопоглощение и паронепроницаемость. Теплопроводность пеностекла при плотности 200. 300 кг/м 3 составляет 0,06. 0,12 Вт/(м∙К), а прочность на сжатие — 3. 6 МПа.
Рис. 2. Структура пеностекла:
1– поры; 2 – стеклянные прослойки
Ячеистое стекло легко обрабатывается (пилится, сверлится), хорошо сцепляется с цементными материалами. Пеностекло применяют для изоляции металлоконструкций, при бесканальной прокладке трубопроводов и благодаря паронепроницаемости и минимальному водопоглощению (>1%) для теплоизоляции стен, потолков промышленных холодильников.
Теплоизоляционные бетоны — бетоны плотностью не более 500 кг/м 3 по структуре могут быть трех видов:
- слитного строения на пористых заполнителях (например, керамзитовом гравии и перлитовом песке) и цементном или полимерном? вяжущем;
- крупнопористые (беспесчаные) на однофракционном керамзитовом гравии и цементном или полимерном связующем;
Крупнопористые бетоны используют в виде плит, заменяющих засыпную теплоизоляцию.
Ячеистые бетоны — наиболее перспективный вид теплоизоляционных бетонов, отличающиеся сравнительно простой технологией получения. Их широкому распространению препятствует высокое водопоглощение и гигроскопичность. Сухой ячеистый бетон при плотности 300. 500 кг/м 3 имеет теплопроводность 0,07. 0,1 Вт/(м∙К); при влажности 8% теплопроводность возрастает до 0,15. 0,18 Вт/(м∙К). Применяют ячеистые бетоны в виде камней правильной формы, заменяющих 8. 16 кирпичей.
Монтажная теплоизоляция — специальная группа неорганических теплоизоляционных материалов (засыпки и мастики) и готовых изделий (листы, плиты, скорлупы), используемых для изоляции трубопроводов и агрегатов с высокими температурами поверхности. К таким материалам относятся асбестосодержащие материалы (чисто асбестовые и смешанные), теплоизоляционная керамика и др. использование асбеста в монтажной теплоизоляции основывается на его огнестойкости и низкой теплопроводности, а в мастичных материалах он выполняет также армирующие функции. Последнее объясняется волокнистым строением асбеста.
Асбестовый картон и бумагу изготовляют из асбеста 4—5 сортов с использованием органических клеев (крахмала, казеина). Асбестовая бумага толщиной 0,3. 1,5 мм и плотностью 450. 900 кг/м 3 имеет X— =0,15. 0,25 Вт/(м • К). Ее используют для изоляции поверхностей, работающих при температурах до 500° С.
Асбестовый картон более толстый, чем бумага (2. 10 мм). Его применяют для предохранения деревянных и других конструкций из легкогорючих материалов для защиты от возгорания. У асбеста для этого есть два необходимых свойства: огнестойкость и низкая теплопроводность.
Асбестосодержащие смешанные материалы представляют собой порошки из асбеста с различными добавками (слюды, диатомит, минеральные вяжущие и т. п.). При затворении водой эти смеси превращаются в пластичное тесто, способное при высыхании затвердевать. Из него получают покрытия на изолируемых поверхностях или производят изделия — полуфабрикаты (плиты, скорлупы).
Изоляция подобного типа выдерживает температуры до 900° С; при этом теплопроводность таких материалов составляет ОД. 0,2 Вт/(м∙К). Имея открытую пористость и высокое водопоглощение, асбестосодержащие материалы требуют защиты от увлажнения; тем более, что большинство из них не водостойки.
Читайте также: